ТЕМА № 25 (4лц+4пр+8ср)

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

1. Основные свойства и строение ядра

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточены практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.

Все атомные ядра состоят из элементарных частиц ― протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы ― нуклона.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

Ядро атома характеризуется зарядом. Заряд ядра равен величине Zq, где q ― заряд протона, Z ― порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева, равный числу протонов в ядре. Число нуклонов в ряде , где N ― число нейтронов в ядре, называется массовым числом. Нуклоном (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону ― нулевое значение А.

Символ элемента

.

Ядра с одинаковым Z, но различным А называются изотопами

Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами .

Ядра с одинаковым числом нейтронов носят название изотонов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра ≈ 1,3-1,5*10^-15 м. Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10¹⁷ кг/м³ и постоянна для всех ядер. Ядро атома имеет собственный момент импульса ― спин ядра. Он складывается из спинов нуклонов и из орбитальных моментов импульса нуклонов ( моментов импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра). Спин ядра квантуется по закону

, (1)

где I ― внутреннее (полное) спиновое квантовое число. Число I принимает целые и полуцелые значения: I=0; ; 1; ;…

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра Р_mя в целом. Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон

где q ― абсолютное значение заряда электрона; m_р ― масса протона.

Между спином ядра L_я, выраженным в , и его магнитным моментом Р_mя имеет соотношение

,

где ɣ_я ― ядерное гиромагнитное отношение.

2. Энергия связи ядер. Дефект массы

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода, во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное (сильное) взаимодействие ― притяжение, обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

Энергия связи ядра определяется той работой, которую нужно совершить, чтобы расчленить ядро на составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, которую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре

(2)

где m_р, m_я ,m_n ― соответственно пассы протона, ядра и нейтрона; С ― скорость света.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если Е_св ― энергия связи, выделяющаяся при образовании ядра, то соответствующая ей масса

(3)

называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов:

. (4)

Тогда выражение для энергии связи (2) можно переписать в виде

. (5)

Таким образом дефект массы служит мерой энергии связи.

Удельной энергией связи ядра ε_св называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон

. (6)

Величина ε_св составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. Как видно из рис. 1 по мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает

Рисунок 1

Если ядро имеет наименьшую возможную энергию , то оно находится в основном энергетическом состоянии.

Если ядро имеет энергию , то оно находится в возбужденном энергетическом состоянии.

Случай соответствует расщеплению ядра на составляющие его нуклоны.

В отличие от энергетических уровней атома, раздвинутых на единицы электрон-вольт, энергетические уровни ядра отстоят друг от друга на мегаэлектрон-вольт. Этим объясняются происхождение и свойства гамма излучения.